Добавлен: 02.02.2019
Просмотров: 13137
Скачиваний: 101
14.3 Шалаөткізгіштердің өткізгіштігі
Шалаөткізгіштердің металдардан ерекшелігі оларда ток тасымалдаушының екі түрі болады. Олар: электрондар мен кемтіктер. Электрондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өткен кезде валенттік зонада кемтіктер (бос орындар) пайда болады. Сыртқы өріс әсерінен бос орынға көршілес атомның байланысқан электрондарының бірі келіп түседі де, есесіне ол атомдағы электронның орны бос қалады. Осының салдарынан кемтіктер электрондар бағытына қарама-қарсы қозғалатындай әсер қалдырады.
Шалаөткізгіштердің өткізгіштігінің екі түрі болады. Олардың бірі-меншікті (таза шалаөткізгіштер), екіншісі қоспалы деп аталады. Меншікті шалаөткізгіштерде кемтіктер мен электрондар саны тең болады. Қоспалы шалаөткізгіштерде негізгі ток тасымалдаушысы электрондар болса n-типті, ал кемтіктер болса р-типті өткізгіштік деп аталады.
Электрондардың
бос және валенттілік аймақта үлестірілуі
Ферми-Дирак функциясымен сипатталады.
Есептеулер Ферми деңгейі тыйым салынған
аймақтың ортасында орналасатынын
көрсетеді, яғни
.
Бос аймақтың деңгейлерінің толу
ықтималдығын былай жазуға болады
.
(14.1)
Бос
аймаққа өткен электрондар саны және
пайда болған кемтіктер саны
функциясына
пропорционал болады. Бұл электрондар
мен кемтіктер –ток тасымалдаушылар,
бос аймақ - электрондардың өткізгіштік
аймағы, ал валенттілік аймақ - кемтіктердің
өткізгіштік аймағы.
Сонымен
өткізгіштік
тасымалдаушылар концентрациясына
пропорционал, олай болса шалаөткізгіштердің
меншікті өткізгіштігі
,
(14.2)
мұндағы
.
Бұл өрнектен температура артқан сайын шалаөткізгіштердің меншікті өткізгіштігі шапшаң артатындығын көруге болады. Шалаөткізгіштер мен металдардың өткізгіштіктерінің температураға байланыстылығы қарама-қарсы.
Шалаөткізгіштердің
меншікті өткізгіштігі өте аз, себебі
тыйым салынған аймақ
ені
(активация энергиясы)
жыулық энергиядан әлдеқайда артық.
Шалаөткізгіштердің өткізгіштігін оларға қоспалар қосу арқылы едәуір арттыруға болады. Қоспаның валенттілігіне байланысты тыйым салынған аймақтарда (донорлық қоспада бос аймақтың түбіне жақын аймақта, акцепторлық қоспада валенттілік аймақтың жоғарғы жағында) қосымша деңгейлер пайда болады.
Қоспалы шалаөткізгіштер қазіргі заманғы электроникада кеңінен қолданылады.
15 Дәріс. Ядролық физика
Дәрістің мақсаты:
- ядроның құрамы мен сипаттамаларымен танысу;
- ядролық күштердің негізгі қасиеттерін оқып үйрену.
Ядролық физикада өлшемі атомның өлшемінен аз болатын материяның құрылымы зерттеледі. Ядролық физикадағы әртүрлі қашықтық шкаласы
1
5.1
сурет
Қазіргі заманғы ядролық физикада 10-9с қа дейінгі уақытты өлшеуге болады. Дегенімен энергия- уақыт анықталмағандықтар қатынасынан 10-22-10-24с-қа дейінгі уақытты жанама әдіспен өлшеуге болады.
15.1 Атом ядросының құрамы және сипаттамалары
Ядро бір-бірімен күшті байланысқан, бір-біріне ядролық күштермен тартылатын, ядроның ішінде релятивистік емес жылдамдықпен қозғалатын бөлшектер - нуклондар жүйесі болып табылады. Нуклондар – ядроны құрайтын бөлшектердің жалпы аталуы, протондар мен нейтрондар. Бұл бөлшектердің негізгі сипаттамалары төмендегі 15.1-кестеде келтірілген.
15.1 к е с т е – Нуклондар сипаттамалары
|
Бөлшек (белгіленуі) Физикалық шама |
Протон
|
Нейтрон
|
|
Массасы, кг Массасы, МэВ |
|
|
|
Электр заряды |
|
0 |
|
Магниттік моменті |
|
|
|
Спині |
1/2 |
1/2 |
|
|
||
-
ядрКестеден көретініміз, нейтрон массасы протон массасынан 1,3 МэВ –қа, яғни 2,5me -ке артық. Осы себептен еркін күйде нейтрон тұрақты емес және ол өздігінен ыдырап, электрон және антинейтрино шығару арқылы протонға айналады. Еркін күйде протон – тұрақты бөлшек. Ядро ішінде протон позитрон және нейтрино шығару арқылы нейтронға айналады.
Тұрақты ядроның негізгі сипаттамалары: заряды, массасы, байланыс энергиясы, радиусы, күйінің энергетикалық спектрі болып табылады. Радиоактивті (тұрақты емес) ядро қосымша параметрлермен сипатталады. Олар: өмір сүру уақыты, радиоактивті ыдырау түрі, шығарылған бөлшектің энергетикалық спектрі және т.б.
зарядтық
сан ядродағы
протондар санымен сәйкес келеді және
ядроның зарядын аықтайды, ол
ке
тең.
массалық
сан ядродағы
нуклондар санын, сонымен қатар
нейтрондар
санын анықтайды.
Ядроның
қарастырылған сипаттамалары
символдық
белгіленуде қамтылады.
Ядро өлшемі. Ядроны құрайтын бөлшектер кванттық заңдарға бағынады. Оның өлшемін және пішінін шартты түрде ғана түсінуге болады. Ядролық заттың тығыздығының орташа таралуын өлшеудің эксперименттік әдістері бар.
Бірінші жуықтау бойынша ядроны радиусы
(15.1)
болатын
шар деп қарастыруға болады. Мұндағы
.
Бұл
өрнектен ядро массасы оның көлеміне
пропорционал екенін көруге болады.
Барлық ядрода зат тығыздығы бірдей және
ол шамамен
-ға
тең. Ядро
спині (толық механикалық момент)
оның құрамындағы протондар мен
нейтрондардың импульс моменттерінің
қосындысынан тұрады.
15.2 Ядроның массасы мен байланыс энергиясы
Дәл
өлшеулер бойынша
ядроның
массасы
ондағы нуклондардың массаларының
қосындысынан әрқашанда кіші болатыны
шығады
.
(15.2)
Ядродағы
нуклондардың массаларының қосындысынан
оның массасының
айырымы
массалық
ақау
деп аталады. Массалық ақау ядродағы
нуклондардың байланыс
энергиясын
сипаттайды. Байланыс энергиясы – ядроның
оны құрайтын нуклондарға ыдыратуға
кететін
минимал
энергия. Байланыс энергиясы ядроның
беріктігін сипаттайтын негізгі шамалардың
бірі. Ядроның байланыс энергиясын біле
отырып, кез келген ыдырау және ядролардың
өзара түрлену процесстері үшін
энергетикалық шығыстарды есептеуге
болады
.
(15.3)
Практикалық
есептеулерде төмендегі формуланы
қолдану ыңғайлы
,
(15.4)
мұндағы
–
атом
массасы;
–
сутегі
атомының массасы.
Байланыс энерсиясының А толық нуклондар санына қатынасы меншікті байланыс энергиясы деп аталады. Меншікті байланыс энергиясымен массалық санның тәуелділік сызбасы (15.2 суретке қараңыз) тұрақты ядролар үшін ядролардың қасиеттері және ядролық күштердің сипаты туралы қызықты мәліметтер береді.
15.2 сурет
|
Массалық
санның артуына байланысты меншікті
байланыс энергиясы да
-ге
дейн артады. Яғни, ядродағы жеке нуклонды
бірнеше нуклондарға тартылса оның
байланысы күшейетінін білдіреді. А>60
болатын элементтерде меншікті байланыс
энергиясы біртіндеп кемиді. Ол ядролық
тартылу күші жақыннан
әсер етуші
күш екенін білдіреді. Әсерлесу қашықтығы
шамамен бір нуклонның өлшемімен шамалас.
Күшті байланысқан нуклондар массалық
саны 50 мен 60 аралығындағы ядролар (бұл
ядролардың меншікті байланыс энергиялары
шамамен 8,7 МэВ/нуклон-ға дейін жетеді).
Ядролық реакторлардың, атом бомбаларының жұмыс істеу принциптері уран немесе плутон ядросының нейтрондарды қармап алу арқылы ыдырау процесіне негізделген.
Жеңіл ядролардың синтезделу процесі (ядролардың бірігуі) өте жоғары температурада жүреді (термоядролық реакция). Олар Күн немесе жұлдыздар қойнауларында кездеседі. Қазіргі кезде ғалымдар жер бетінде басқарылатын термоядролық синтездің әдістерін қарастыруда.
15.3. Ядролық күштер
Ядродағы нуклондардың орасан зор байланыс энергиясы, нуклондар арасында, күшті кулондық тебу күшіне қарамастан, нуклондарды өте аз қашықтықта ұстап тұратын, өте қарқынды әсерлесу бар екенін көрсетеді. Нуклондардың ядролық әсерлесуі күшті әсерлесуге жатады.
Ядролық күштердің негізгі ерекшеліктерін қарастырамыз.
Жақыннан әсер етуші. Ядролық күштердің әсер ету қашықтығы шамамен ~ 10–15 м. Егер, әсер ету қашықтығы 10–15 м қашықтықтан айтарлықтай аз болса, нуклондардың тартылуы тебілуге ауысады.
Ядролық күштердің зарядтық тәуелсіздігі. Күшті әсерлесу нуклондардың зарядтарына тәуелсіз, яғни протон мен протон, нейтрон мен нейтрон, протон мен нейтрон арасындағы өзара тартылу күштері бірдей болады.
Ядеролық күштер нуклондардың спиндерінің өзара бағдарлануына тәуелді. Мысалы, ауыр сутегі ядросы (дейтрон), ондағы протон мен нейтрон спиндері параллель болса ғана, түзіле алады.
Ядеролық күштер центрлі күш емес. Оларды әсерлесуші нуклондардың центрлерін қосатын сызық бойымен бағытталған деп елестетуге болмайды.
Ядеролық күштер қанығу қасиетіне ие. Әрбір нуклон басқа нуклондардың белгілі бір шектелген санымен ғана әсерлеседі. Себебі ядродағы нуклондар саны артқанымен олардың меншікті байланыс энергиясы тұрақты болып қалады.
Ядеролық күштер нуклондардың салыстырмалы жылдамдығына тәуелді.
Ядеролық
күштердің алмасу сипаты. Қазіргі
заманғы түсінік бойынша күшті әсерлесу
нуклондардың
пи-мезондар
деп
аталатын бөлшектермен виртуалды алмасауы
арқылы жүзеге асады. Оларды көбнесе
пиондар
деп
атайды.
Пиондардың
екі зарядтық күйі бар,
оң
және теріс заряд. Бұл бөлшектер тұрақты
емес және спиндері болмайды. Пиондардың
негізгі қасиеттері 15.2 кестеде көрсетілген.
15.2 к е с т е – Пиондардың сипаттамалары
|
Пионның белгіленуі |
Массасы, МэВ |
Электр заряды, е |
Өмір сүру уақыты, с |
|
|
140 |
|
|
|
|
135 |
0 |
|
Нуклондар
арасындағы алмасу әсерлесуін қарастырамыз.
Егер нуклон энергиясының анықталмағандығы
шамасынан
кем болмаса ол пион шығара алады. Бұл
жағдайда энергияның сақталу заңының
бұзылуы байқалмайды. Энергия-уақыт
анықталмағандықтар қатынасы бойынша
шығарылған пиондар
уақыттай
өмір сүріп, сол нуклондарға немесе басқа
нуклондарға қайта жұтылады.
Бөлшектермен алмасу тек күшті әсерлесуде ғана емес, басқа да барлық әсерлесулер негізінде жатыр және табиғаттың фундаменталды кванттық қасиеті болып саналады. Әсерлесулерді жүзеге асыратын, шығарылатын және жұтылатын бөлшектер – виртуалды бөлшектер деп аталады.
Виртуалды процестер нәтижесі:
,
,
,
.
Жеке
нуклон ядро өрісін құрайтын, виртуалды
-мезондар
бұлтымен (мезонды тон) қоршалған.
Сонымен нуклондар арасындағы күшті әсерлесу, олардың өзара виртуалды пиондармен алмасуы арқылы жүзеге асады екен. Күшті әсерлесудің бірнеше схемасы төменде келтірілген.
,
,
.
Ядролық күштердің алмасу сипаты нейтронның магниттік моментінің бар екенін түсіндіруге мүмкіндік береді.
Айта кететін жағдай, нуклондардың пиондармен алмасу арқылы әсерлесуінің айтарлықтай сапалы теориясы құрылған жоқ. Оны құру кезінде күрделі математикалық қиыншылықтар кездеседі, оның басты себебі ядролық күштердің өте қуатты болуы.
Әдебиеттер тізімі
1. Искаков Ж.И., Сыздықова Р.Н., Кенжебекова А.И. Физика 1. Дәрістер конспектісі – Алматы: АЭжБИ, 2009. – 54 б.
2. Савельев И.В. Жалпы физика курсы.- М.: Наука, 1989. - т. 2, 3.
3. Детлаф А.А. , Яворский Б.М. Курс физики. -М. : Высш. шк., 2002.
4. Трофимова Т.И. Физика курсы. - М. : Высш. шк., 2004.
5. Абдуллаев Ж. Жалпы физика курсы. –А.: Ана тілі, 1991.
2012 ж.жиынтық жоспары, реті 309